帶有AGC的622Mbps光纖前置放大器

1、第2期2008年4月微處理機MICROPROCESSORSNo.2Apr.,2008大規(guī)模集成電路設計、制造與應用帶有AGC的622Mbps光纖前置放大器王進祥,徐一,王永生,王洋(哈爾濱工業(yè)大學微電子中心,哈爾濱150001)摘要:設計一種帶有自動增益控制(AGC)的光纖接收跨阻前置放大器(TIA),應用于SDH系統(tǒng)STM-4速率級(622Mbps),采用CSMC0.6mCMOS工藝實現(xiàn)。電源電壓3.3V,差分輸出。仿真結(jié)果顯示,可允許的信號輸入范圍較大(-32dBm到+3dBm),小信號輸入增益高達86.9dB,相位分裂器的有源電感負載有效提高了電路的帶寬約70%,放大器的等效輸入電流噪聲

2、為4.34pAz。關鍵詞:CMOS工藝;跨阻放大器;自動增益控制中圖分類號:TN722.71文獻標識碼:A文章編號:1002-2279(2008)02-0005-03Pre_amplifierwithAGCforFiberOpticApplicationsto622MbpsWANGJin-xiang,XUY,iWANGYong-sheng,WANGYang(MicroelectronicCenter,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Atransimpedancepre_amplifierwithAGCusing3.

3、3VCSMC0.6mstandardCMOSprocessinfiberopticalreceiverispresentedinthispaper.Itiswellsuitedfortelecommunications,especiallyOC-12/STM-4andcontainsawideinputrange-from-32dBmto+3dBm,thegainofsmallsignalinputis86.9dB.Theloadconductorofthephase-slittereffectivelyincreasedthebandwidthabout70%,andtheequalinpu

4、tcurrentnoiseis4.34pAz.Keywords:CMOStechnology;Transimpedanceamplifier;AutomaticGainControl(AGC)1引言在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,由于光纖通信具有通信容量大、性能穩(wěn)定、保密性強等優(yōu)點,在接入網(wǎng)中光纖通信技術(shù)扮演著重要角色,光纖接入將成為發(fā)展的1重點。考慮工藝方面,雙極型和典型CMOS工藝均可滿足622Mbps光纖通信系統(tǒng)的要求,雙極型工藝的頻響更好,但考慮工藝的低成本,低功耗,選擇0.6mCMOS工藝更具優(yōu)勢。相比較0.25m,0.18m工藝,0.6m工藝同樣可以達到所需速率要求,且成本是深亞微米工藝的1/3

5、到1/5。所采用的前置放大器就是屬于跨阻放大器。用于光接收機的前置放大器多數(shù)采用跨阻放大器,這種放大器,采用跨阻抗電路,在電性能上,其跨阻增益(dB)較高,帶寬較寬,等效噪聲電流較低,在結(jié)構(gòu)上,采用直接耦合,省去電抗元件,縮小芯片面積3前置放大器的電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。光電二極管接在兩個輸入端之間,IN1端為跨阻放大器的電流信號輸入端。IN2端提供一個穩(wěn)定的電壓,使光電二極管反向偏置。整個前置放大器提供雙端輸出,使之與后級的限幅放大器輸入相匹配。圖1前置放大器的模塊圖2帶AGC的跨阻放大器電路設計采用三級反相放大的跨阻放大器結(jié)構(gòu),這樣可以提高開環(huán)增益,其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。其中。作者簡

6、介:王進祥(1968-),男,江西撫州人,博士,副教授,主研方向:差錯控制理論及其算法的VLSI實現(xiàn)結(jié)構(gòu),SOC及IP設計。收稿日期:2006-06-056微處理機2008年單元反相放大器結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。M1和M2是放大管,M3為反饋電阻。級主放大器匹配,就需要一個相位分裂器使單端信號變?yōu)殡p端輸出信號。相位分裂器的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖2跨阻放大器由文獻4知,圖2(b)放大器的增益為Av -2gm(ror!rop!Rf)(1)其中,Rf為等效反饋電阻。因此,增大Rf即可提高增益?？缱枨爸梅糯笃鞯牡刃л斎朐肼曤娏鞴β首V函數(shù)表示如下:Seq(f)=+2qIgd+4kT+Rf(Rf)5-6圖3

7、相位分裂器圖3(a)中的輸入信號來自跨阻放大器的輸出端,它與圖中下方RC網(wǎng)絡的輸出信號一同構(gòu)成相位分裂端的兩個具有相同直流電平的輸入。并聯(lián)峰化是一種能夠滿足大帶寬低成本的技術(shù),該技術(shù)是在負載上另外附加電感,也就是引入一個零點,這樣就彌補了電容下降的阻抗,從而使帶寬增大。圖3(a)中虛線框部分為本設計中的用有源電感實現(xiàn)并聯(lián)峰化技術(shù)的限幅放大器單元電路。其等效小信號模型如圖3(b)所示,由圖知:ID=gmVGS+VDS-VGSR(4)(5)8(2 f)(Cgs+Cgd)(2)式中,第1項表示由Rf引入的熱噪聲電流的貢獻;第2項代表場效應管(MOSFET)的柵極漏電流引入的噪聲,一般很小,可忽略不計

8、;最后一項代表MOSFET的溝道熱噪。由上式可知,可以采取增大Rf和gm的方式來減小等效輸入電流噪聲?？缱璺糯笃鞯牧硪粋€重要參數(shù)是帶寬,它可以表示為:f-3dB=(3)2 CinRf其中A為放大器開環(huán)增益;Cin=Cd+Cg+Cm為輸入寄生電容,Cd為光電探測器的等效電容,Cg為放大器輸入管的柵電容7VDS-VGS=sCVGSR因此等效輸出阻抗為:Zequal=VDS=IDgm+sC(6)從前面推出的式子可以得到其等效阻抗具有一個零點和一個極點,分子等效一個電感L=RC,從而大大提高了相位分裂的帶寬。考慮到柵源電容比較小,所以在電路中又外加一個電容,從而有效增大了帶寬。模擬結(jié)果表明,選擇合適的

9、電感值可使基本差分對的帶寬擴展約70%,而不會在頻響曲線上引入尖峰。信號經(jīng)相位分裂后再經(jīng)過電平移位電路,在這里同時完成共模反饋功能。輸出緩沖級電路的作用是提供合適的輸出阻抗,以和50的標準傳輸線匹9配。,Cm是與輸入端相連的MOS管入端的密勒等效電容。減小反饋電阻可以展寬帶寬。可見,放大器的增益、帶寬與噪聲特性之間存在著矛盾,需要取合適的反饋電阻和放大管的跨導,達到各指標之間的折衷。反饋電阻的控制信號來自AGC控制端。AGC單元檢測光電二極管的輸入電流大小,當電流較小,其控制作用很弱;只有當輸入電流過大的時候,AGC控制端才開始起作用。當AGC單元檢測到輸入功率較大,就降低AGC控制端的電平,

10、使等效反饋電阻減小,從而達到減小增益,穩(wěn)定輸出幅度的目的。4仿真及結(jié)果分析采用CSMC0.6m工藝庫仿真,電源電壓3.3V,采用hspice仿真器對版圖提取數(shù)據(jù)進行后仿真。3輸出緩沖級由于本設計的跨阻放大器為單端輸出,為與后2期王進祥等:帶有AGC的622Mbps光纖前置放大器7響應度計算公式為:InputPower=10log(iin(re+1)2!(re-1)(7)5結(jié)束語設計了一種622Mbps的光纖接收前置放大器,供電電源電壓是3.3V;帶有自動增益功能,具有較寬的動態(tài)接收范圍(-32dBm+3dBm);輸入小信號時跨阻增益可達22.2K(即86.9dB);基于并聯(lián)峰化技術(shù)的有緣電感使

11、傳輸函數(shù)引入了附加零點,有效提高了輸出信號的帶寬約70%;等效輸入噪聲在pA量級。目前此設計已采用CSMC0.6mCMOS工藝投片。參考文獻:1張造生.光纖接入技術(shù)及其市場前景J.有線電視技術(shù),2004(24):68-69.2ChenYK,BaeyensY,HammR,eta.lApplicationofCompoundSemiconductorsinHighDataRateOpticFiberCommunicationsC.In:GaAsMANTECH,2001.3陶蕤,王志功,董毅,等.2.5Gb/sCMOS光接收機跨阻前置放大器J.半導體光電,2001(6):177-180.4王麗芳,周

12、華,馮煒,等.帶AGC的光接收機前置放大器的設計J.光通信研究,2005(6):53-56.5ToumazouC,ParkSM.WidebandlownoiseCMOStransimpedanceamplifierforgigeHertzoperationJ.Electron.Lett.,1996,32:1194-1196.6VanisriT,ToumazouC.Integratedhighfrequencylownoisecurrent-modeopticaltransimpedancepreamplifier:theoryandpracticeJ.IEEEJ.SolidStateCircu

13、its,1995,30(6):677-685.7王國全.10Gbit/sGaAs跨阻前置放大器J.電子器件,2005(6):248-250.8陳瑩梅,王志功,章麗,等.2.5Gbit/s光接收機電路的全集成J.光通信研究,2005(5):13-15,31.9王志功.光纖通信集成電路設計M.北京:高等教育出版社,2003-06.1000)dBm其中!是以A/W為單位的光電二極管響應度,iin是以安培為單位的輸入電流,re為消光比。例如當光電二極管響應度為0.9A/W,消光比10dB,輸入電流為1A時,輸入光功率為-32dBm。此時后仿真得到的結(jié)果輸出幅度為32mV,信號帶寬為461MHz。同樣計

14、算可得對應3mA輸入電流的等效光功率為+3dBm,其輸出幅度為620mV。對于系統(tǒng)噪聲特性,關心的是等效輸入電流噪聲,在速率為622Mbps時的等效輸入電流噪聲為4.34pAz,滿足系統(tǒng)對噪聲的要求。當輸入信號從-32dBm到+3dBm變化時,跨阻增益變化曲線如圖4所示。圖4跨阻增益隨輸入信號變化曲線(上接第4頁)7ErnstR,HenkelJ,BennerT.Hardware-SoftwarecosynthesisformicrocontrollersJ.IEEEDesign&TestofComputers,1993,10(4):64-75.8SahaD,MitraRS,BasuA.Hard

15、waresoftwarepartitioningusinggeneticalgorithmR.In:AgrawalV,MahabalaHN,eds.Proc.ofthe10thInt#lCon.fonVLSIDesign.4-7,Jan.1997:155-160.9ElseP,PengZ,KuchcinskiK,eta.lSystemlevelhardware/softwarepartitioningbasedonsimulatedannealingandtabusearchJ.DesignAutomationofEmbeddedSystems,1997,2(1):5-32.10Kalavad

16、eA,LeeEA.Theextendedpartitioningproblem:hardware/softwaremapping,scheduling,andimplementation-binselectionJ.DesignAutomationofEmbeddedSystems,1997,2(1):125-163.11CampiF,TomaM,LodiA,eta.lAVLIWprocessorwithreconfigurableinstructionsetforembeddedapplicationsJ.ISSCC2003,IEEE2003,1:250-491.12DehnertJC,Gr

17、antBK,BanningJP,eta.lTheTransmetaCodeMorphing/spltrade/Software:usingspeculation,recovery,andadaptiveretranslationtoaddressreal131415161718192021-lifechallengesR.CodeGenerationandOptimization,2003.(CGO2003).InternationalSymposiumon23-26March2003:15-24.黃海鷹,黃華.可重構(gòu)計算機J.微處理機,1999,(2):39-40.曲英杰,王沁,王昭順.可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的特征及應用J.計算機工程與應用,2001,37(17):19-21,41.段然,樊曉椏